Leerlaufmodus

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs im Leerlaufmodus. Ferner betrifft die hier offenbarte

Technologie ein Brennstoffzellensystem, das eingerichtet ist, die hier offenbarten Verfahren durchzuführen. Kraftfahrzeuge, die durch

Brennstoffzellen betrieben werden, sind als solche bekannt. Es ist bekannt, dass hohe elektrische Spannungen die Lebensdauer von Brennstoffzellen verringern. Deshalb ist eine gewisse minimal abgenommenen Leistung auch bei Nichtleistungsbedarf (="Leerlauf") erwünscht. Vorbekannte

Kraftfahrzeuge weisen überdies in der Regel eine Hochvoltbatterie auf. Die elektrische Leistung für den Vortrieb des Kraftfahrzeugs wird in der Regel vom Brennstoffzellensystem und von der Hochvoltbatterie bereitgestellt. Dabei gibt es Situationen, in denen das Brennstoffzellensystem abgeschaltet wird, um Energie zu sparen. Dies wirkt sich jedoch negativ auf die

Fahrdynamik aus, da eine gewisse Anlaufzeit vergeht, ehe das

Brennstoffzellensystem wieder die volle Leistung bereitstellen kann. Es besteht ein Bedarf, dem Fahrer eine möglichst hohe Fahrdynamik bei möglichst geringem Verbrauch zur möglichen.

Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie,

zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, gleichzeitig den Verbrauch gering zu halten und zudem eine gute (bevorzugt maximale) Fahrdynamik bereitzustellen. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 . Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Kraftfahrzeugs. Das Verfahren umfasst die Schritte:

- direktes oder indirektes Erfassen einer maximalen Dynamikanforderung bzw. einer Dynamikbegrenzung; und

- Anpassen vom Leerlaufbetriebsmodus eines Brennstoffzellensystems des Kraftfahrzeugs basierend auf der Dynamikanforderung.

Die maximale Dynamikanforderung bzw. die Dynamikbegrenzung ist dabei i) die maximale Leistungsdynamik, die derzeit aufgrund der

Verkehrssituation möglich ist bzw. möglich sein wird; und/oder ii) die maximale Leistungsdynamik, die vom Fahrer erwünscht wird.

Mit anderen Worten wird direkt oder indirekt erfasst, welche maximalen Leistungsänderungsraten im Betrieb aufgrund der Verkehrssituation und/oder aufgrund eines Fahrerwunsches auftreten können. Nachstehend wird vereinfachend der Begriff „maximale Dynamikanforderung" oder

„Dynamikanforderung" verwendet.

Der Leerlaufbetriebsmodus ist der Modus, in dem das

Brennstoffzellensystem dem mindestens einen elektrischen Antriebsmotor keine elektrische Energie zum Fahrbetrieb bereitstellt. Es kann vorgesehen sein, dass im hier offenbarten zweiten Leerlaufbetriebsmodus vom Brennstoffzellensystem bereitgestellte elektrische Energie durch geeignete Ansteuerung des Antriebsmotors in Blindleistung umgewandelt wird. Dies kann sinnvoll sein, um die Leelaufspannungen zu verringern, insbesondere falls die Energiespeichereinrichtung einen oberen Ladezustandsgrenzwert überschritten hat. Ebenso kann im zweiten Leerlaufmodus vorgesehen sein, dass andere Nebenverbraucher nicht in der Energiespeichereinrichtung speicherbare Energie verbrauchen, um so die Leerlaufspannungen zu verringern.

Gemäß der hier offenbarten Technologie wird bei einer ersten maximalen Dynamikanforderung eine geringere Dynamik gefordert als bei einer maximalen zweiten Dynamikanforderung. Das Brennstoffzellensystem wird bei der ersten Dynamikanforderung in einem ersten Leerlaufbetriebsmodus betrieben. Ferner wird das Brennstoffzellensystem bei der zweiten

Dynamikanforderung in einem zweitem Leerlaufbetriebsmodus betrieben. Gemäß der hier offenbarten Technologie wird das Brennstoffzellensystem im ersten Leerlaufbetriebsmodus effizienter betrieben als im zweiten Leerlaufbetriebsmodus.

Das Erfassen der maximalen Dynamikanforderung kann den Schritt umfassen, wonach die Verkehrssituation erfasst wird.

Das Verfahren kann ferner den Schritt umfassen, wonach die zu erfassende Dynamikanforderung eine zukünftige Dynamikanforderung ist. Insbesondere kann die zu erfassende Verkehrssituation eine zukünftige Verkehrssituation sein. Mit anderen Worten können gemäß der hier offenbarten Technologie nicht nur reale Ist-Werte erfasst werden, sondern es können alternativ oder zusätzlich auch zukünftige maximale Dynamikanforderungen prognostiziert werden, beispielsweise indem eine zukünftige Verkehrssituation bestimmt wird und anhand dieser die zukünftige maximale Dynamikanforderung prognostiziert wird.

Besonders bevorzugt kann die Verkehrssituation durch das

Umfelderkennungssystem des Kraftfahrzeugs erfasst werden. Das

Umfelderkennungssystem umfasst dabei vorteilhaft eine oder mehrere der folgenden Komponenten: Ultraschallsensor, Radarsensor, Lidar-Vorrichtung, und/oder Kamera- Vorrichtung. Ebenso kann aber auch jedes andere System eingesetzt werden, welches eingerichtet ist, dass Umfeld des Kraftfahrzeugs zu erfassen. Ebenso kann aber auch jedes andere System eingesetzt werden, welches eingerichtet ist, dass Umfeld des Kraftfahrzeugs zu erfassen.

Gemäß der hier offenbarten Technologie kann die maximale

Dynamikanforderung und/oder die Verkehrssituation erfasst werden anhand von mindestens einer Information, wobei die Information bereitgestellt wird von mindestens einer fahrzeugexternen Recheneinheit. Drahtlos

übermittelte Daten können beispielsweise von einer mit Bezug auf das Kraftfahrzeug externen Recheneinheit bereitgestellt werden, die die Position vom Kraftfahrzeug und anderen Objekten auswertet und zueinander in Relation setzt. Dies kann beispielsweise durch ein Verkehrsleitsystem geschehen und/oder durch Car-to-car Kommunikation.

Das hier offenbarte Verfahren kann den Schritt umfassen, wonach die maximale Dynamikanforderung durch eine Fahrereingabe begrenzt wird. Die Fahrereingabe kann beispielsweise über die Vorwahl eines Fahrmodus bzw. Betriebsmodus erfolgen. Ein von einem Fahrer des Fahrzeugs gewählter Betriebs- bzw. Fahrmodus kann aus einer Mehrzahl von Betriebs- bzw. Fahrmodi ausgewählt werden.

Die Mehrzahl von Betriebsmodi kann z.B. einen ersten Modus (z.B. einen Eco- oder Komfort-Modus) umfassen, der auf ein komfortables und/oder energieeffizientes Fahrverhalten des Fahrzeugs gerichtet ist. In einem solchen Modus akzeptiert oder wünscht der Fahrer eine Fahrdynamik, die auf die zweite maximale Dynamikanforderung im Leerlaufbetriebsmodus begrenzt sein kann.

Im ersten Leerlaufmodus kann vorgesehen sein, dass mindestens ein elektrischer Verbraucher des Brennstoffzellensystems abgeschaltet wird bzw. ist. Beispielsweise kann der mindestens eine elektrische Verbraucher der Oxidationsmittelförderer, die Kühlmittelpumpe und/oder der Brennstoff- Rezirkulationsförderer sein.

Des Weiteren kann die Mehrzahl von Betriebsmodi einen zweiten Modus (z.B. einen Sport-Modus) umfassen, der auf ein dynamisches Fahrverhalten des Fahrzeugs gerichtet ist. In einem solchen zweiten Modus wünscht der Fahrer eine Fahrdynamik, die auf die zweite maximale Dynamikanforderung im Leerlaufbetriebsmodus begrenzt sein kann. Mithin müssen also höhere Dynamikanforderungen erfüllt werden.

Im zweiten Leerlaufbetriebsmodus kann der Betrieb des

Brennstoffzellensystems speziell darauf abgestellt werden, dass es besonders schnell wieder anfahren kann. Beispielsweise kann der

Oxidationsmittelförderer bei höheren Leerlaufdrehzahlen betrieben wird als im ersten Betriebsmodus. Bevorzugt kann dann in einem kathodenseitigen Bypass zum Brennstoffzellenstapel mehr Oxidationsmittel am Brennstoffzellenstapel vorbeigeführt werden. Dies hat den Vorteil, dass das Brennstoffzellensystem besonders schnell wieder anfahren kann.

Die Vorwahl eines Fahrmodus bzw. Betriebsmodus kann beispielsweise erfolgen über einen (Fahrerlebnis-) Schalter und/oder über ein Menu einer Menu-geführten Benutzerschnittstelle des Fahrzeugs durch einen Insassen des Fahrzeugs eingestellt werden.

Insbesondere kann im ersten Leerlaufbetriebsmodus das

Brennstoffzellensystem effizienter betrieben werden,

i) indem das Brennstoffzellensystem in einem effizienteren

Betriebspunkt betrieben wird (z.B. kann der

Oxidationsmittelförderer einer geringeren Drehzahl betrieben werden); und/oder

ii) indem mindestens ein Nebenverbraucher des

Brennstoffzellensystems im ersten Leerlaufbetriebsmodus abgeschaltet sind und somit keine elektrische Energie verbrauchen.

Mit der hier offenbarten Technologie wird die Effizienz vom

Brennstoffzellensystem erhöht, ohne dass es dabei zu einer

Verschlechterung der vom Fahrer wahrgenommenen Fahrdynamik kommt, denn die Verkehrssituation lässt lediglich eine Fahrdynamik zu, die auch im ersten Leerlaufbetriebsmodus bereitgestellt werden kann. Gleichsam ermöglicht der zweite Leerlaufbetriebsmodus eine dynamische Fahrweise.

Die hier offenbarte Technologie kann ferner den Schritt umfassen, wonach der Ladezustand der mindestens einen Energiespeichereinrichtung erfasst wird. Das Brennstoffzellensystem kann die Energiespeichereinrichtung mit elektrischer Energie versorgen, falls der Ladezustand (engl. State of Charge oder SoC) unterhalb von einem unteren Ladezustandsgrenzwert liegt.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist

eingerichtet, die hier offenbarten Verfahren durchzuführen. Das

Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge (z.B. Personenkraftwagen, Krafträder, Nutzfahrzeuge) gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.

Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Anodensubsystem, das von den brennstoffführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems ausgebildet wird. Ein Anodensubsystem kann mindestens einen Druckbehälter, mindestens ein Tankabsperrventil (=TAV), mindestens einen Druckminderer, mindestens einen zum Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels führenden Anodenzuströmungspfad, einen Anodenraum im Brennstoffzellenstapel, mindestens einen vom Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels wegführenden Rezirkulationsströmungspfad, mindestens einen

Wasserabscheider (= AWS), mindestens ein Anodenspülventil (= APV), mindestens einen aktiven oder passiven Brennstoff-Rezirkulationsförderer (= ARE bzw ARB) sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Anodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Brennstoff an die elektrochemisch aktiven Flächen des Anodenraums und die Abfuhr von Anodenabgas. Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Kathodensubsystem. Das Kathodensubsystem wird aus den oxidationsmittelführenden

Bauelementen gebildet. Ein Kathodensubsystem kann mindestens einen Oxidationsmittelförderer, mindestens einen zum Kathodeneinlass führenden Kathodenzuströmungspfad, mindestens eine vom Kathodenauslass wegführende Kathodenabgaspfad, einen Kathodenraum im

Brennstoffzellenstapel, sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Kathodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von

Oxidationsmittel an die elektrochemisch aktiven Flächen des Kathodenraums und die Abfuhr von unverbrauchtem Oxidationsmittel.

Das hier offenbarte Brennstoffzellensystem umfasst mindestens einen Kühlkreislauf, der eingerichtet ist, den Brennstoffzellenstapel des

Brennstoffzellensystems zu temperieren. Der Kühlkreislauf umfasst zweckmäßig mindestens einen Wärmetauscher, mindestens einen

Kühlmittelförderer und mindestens eine Brennstoffzelle.

Das hier offenbarte System umfasst mindestens einen

Oxidationsmittelförderer. Der Oxidationsmittelförderer ist eingerichtet, das an der elektrochemischen Reaktion beteiligte Oxidationsmittel zur mindestens einen Brennstoffzelle zu fördern. Der Oxidationsmittelförderer (auch

Fluidfördereinrichtung genannt) kann beispielsweise als Kompressor bzw. Verdichter ausgebildet sein, besonders bevorzugt als luftgelagerter

Turbokompressor, Turboverdichter, bzw. Kreiselverdichter.

Das Anoden-Subsystem umfasst i.d.R. mindestens einen Brennstoff- Rezirkulationsförderer zur Förderung von Brennstoff in den

Anodenzuströmungspfad. Der Rezirkulationsförderer ist zweckmäßig im Rezirkulationsströmungspfad angeordnet. Der Rezirkulationsförderer wird insbesondere nicht von einer Strahlpumpe ausgebildet.

Eine Energiespeichereinrichtung ist eine Einrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie. Beispielsweise kann die Energiespeichereinrichtung ein Hochvoltspeicher sein. Zweckmäßig kann die Energiespeichereinrichtung als Batterie, insbesondere als Hochvolt-Batterie ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich können auch Superkondensatoren (engl. Supercapacitors, kurz Supercaps oder SC) als Energiespeichereinrichtung dienen.

Der mindestens eine elektrische Antriebsmotor kann ein Elektromotor sein, der zum Vortrieb des Kraftfahrzeuges beiträgt. Bevorzugt ist der

Antriebsmotor ein Elektromotor, der durch Rekuperation elektrische Energie zur Energiespeichereinrichtung rückspeisen kann. Ebenso kann das hier offenbarte Kraftfahrzeug mehrere elektrische Antriebsmotoren umfassen. Mit dem Begriff „mindestens ein Antriebsmotor" mit umfasst seien bei der hier offenbarten Technologie Ausführungen mit„einem Antriebsmotor" oder mit „mehreren Antriebsmotoren"

Das hier offenbarte System umfasst ferner mindestens ein Steuergerät. Das Steuergerät ist u.a. eingerichtet, die hier offenbarten Verfahrensschritte durchzuführen. Hierzu kann das Steuergerät basierend auf bereitgestellten Signalen die Aktuatoren des Systems zumindest teilweise und bevorzugt vollständig regeln (engl, closed loop control) oder steuern (engl, open loop control).

Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie ein Verfahren, bei dem je nach erkannter Verkehrslageeinschätzung unterschiedliche

Leerlaufmodi vorgesehen sind, wobei je nach benötigter Aufstartzeit die Effizienz des Leerlaufmodus optimiert wird. In der einen Ausführung wird zwischen zwei Leerlauf modi unterschieden:

a) Die Steuerung generiert ein erstes Signal, dass indikativ ist für „hohe Leistungsdynamik nicht möglich oder nicht erwünscht" (=erster

Leerlaufbetriebsmodus).

Dieses Signal wird gebildet aus einer oder der Kombination folgender Informationsquellen bzw. Sensoren:

- Verkehrslageeinschätzung per Kamera (Stau, rote Ampel,

geschlossener Bahnübergang, Fahrzeugbetrieb auf einer Fähre, Eisenbahnverladung, Tiefgarage usw.);

- Abstandssensoren;

- Abstandsradar;

- aktuelle Fahrzeugposition über GPS-Daten und/oder in Verbindung mit Verkehrsstörungsmeldungen;

- Fahrerwunsch per Knopfdruck;

- aktuelle Fahrgeschwindigkeit; und/oder

- Fahrbahnzustand (niedrige Reibwerte aufgrund von Vereisung, etc.);

- Bei niedrigem Füllstand des Druckbehälters (Reserve)

- etc.

Wenn das erste Signal unter a) logisch wahr ist (Bedingung„hohe

Leistungsdynamik nicht möglich oder nicht erwünscht" ist erfüllt), dann wird ein„Leerlaufmodus mit maximaler Energieeffizienz" auf Kosten von Aufstartzeit/ -dynamik ausgewählt/erlaubt. Falls das erste Signal unter y) logisch falsch ist (Bedingung„hohe Leistungsdynamik nicht möglich oder nicht erwünscht" ist nicht erfüllt), dann ist nur ein herkömmlicher Leerlauf zugelassen.

Wird der„Leerlaufmodus mit maximaler Energieeffizienz" (=erster

Leerlaufbetriebsmodus) ausgelöst, können die Nebenaggregate wie z.B. der Kompressor, aber auch Kühlmittelpumpen, die Rezirkulationspumpe, etc. komplett abgestellt werden. Damit wird die Energieeffizienz des Leerlaufs in Abhängigkeit der erkannten maximal möglichen Dynamikanforderung optimiert, ohne dass vom Fahrer Einschränkungen spürbar sind. Eine weitere Verfeinerung in mehr Stufen ist denkbar - je nach Aufstartzeitanforderung und realisierbarer Energieeinsparung.

Mit der hier offenbarten Technologie lässt sich der Energieverbrauch im Leerlauf reduzieren. Überdies lässt sich die Stackdegradation durch hohe Stackspannungen verringern. Ferner vorteilhaft lassen sich die

Geräuschemissionen bei geringer Geschwindigkeit in Abhängigkeit von erkannten Verkehrssituation verringern. Je nach Gesamtantriebsauslegung und Fahrleistungsanforderung ist Verringerung der

Hochspannungsbatteriekapazität möglich, was zu geringen Produktkosten führen kann.

Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der schematischen Fig. 1 erläutert. Mit dem Schritt S100 beginnt das Verfahren. Im Schritt S200 wird die maximale Dynamikanforderung erfasst. Im Schritt S300 wird der

Leerlaufbetriebsmodus des Brennstoffzellensystems des Kraftfahrzeugs basierend auf der maximalen Dynamikanforderung angepasst. Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.